高分子科学导论-绪论课件

1高分子科学导论

IntroductiontoPolymerScience

2为什么把“高分子科学导论”作为化学学科本科生的基础课？化学一级学科的五个二级学科

无机、分析、物化、有机、高分子

高分子科学与其他学科的关系生命科学信息科学材料科学环境科学

农业科学高分子科学

1972的诺贝尔化学奖获得者P.J.Flory说，高分子科学既是一门基础科学，又是一门应用科学。在美国，从事化学研究的人当中，有1/2到2/3的人从事与高分子科学有关的研究。3高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——衣5高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——住6高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——行HyundaiQarmaQ

Lexan®（PC）

Xenoy

iQ®（PBT）

Noryl®（PPO）BayerAll-plastic-car

Makrolon（PC）

Desmopan（TPU）7塑料制品产量/万t增长率/%构成比/%薄膜528.714.118.9（其中农用薄膜）86.111.53.1异型材/片材308.412.011.0管材288.115.110.3纤维301.334.110.8人造革/合成革136.722.54.9发泡制品113.022.24.0包装箱/容器148.711.85.3日用品301.922.910.8其他675.014.524.1合计2,801.917.91002007年中国塑料制品产量及构成9●高分子科学的基本概念●高分子化学与物理基础●高分子材料的性能与应用●高分子科学的研究与应用前沿教学内容101、绪论（2学时）2、高分子和合成与化学性质（4学时）3、高分子的结构与性能关系（2学时）4、高分子的表征与分析（2学时）5、热塑性高分子（2学时）6、工程塑料（2学时）7、热固性树脂（2学时）教学大纲8、橡胶（2学时）9、纤维（2学时）10、涂料与粘合剂（2学时）11、功能高分子材料（2学时）12、高分子复合材料（2学时）13、天然高分子（2学时）14、超分子（2学时）15、高分子材料的添加剂（2学时）11ReferencebookJoelRFried,PolymerScienceandTechnology,2ndEd.2003，PearsonEducation,Inc.《聚合物科学与工程》，第二版（英文影印版），2005，化学工业出版社CharlesECharraher,GiantMolecules,2ndEd.2003,JohnWiley&Sons,Inc.HerbertMorawetz,Polymer-TheOriginsandGrowthofaScience,AWiley-IntersciencePublication,198513DefinitionandFoundation第一章绪论Monomer（单体）Amonomerisanysubstancethatcanbeconvertedintoapolymer.Structureunit（结构单元）

Astructuralunitisabuildingblockofapolymerchain,andrelatedtotherepeatunit.Itistheresultofamonomerwhichhasbeenpolymerizedintoalongchain.Repeatingunit（重复单元）Arepeatingunitistheidenticalandrepeatedstructuralunitofthepolymer.CH2CH2CH2CH2()nrepeatingunitmonomerNH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nmonomermonomerstructuralunitstructuralunitrepeatingunit14Dimers（二聚体）,Trimers（三聚体）……andOligomers（齐聚物）Adimer

canbeformedfromthereactionoftwomonomermolecules;thedimermayreactwithathirdmonomertoyieldatrimer,andsoon.Dimersareusuallylinearmolecules,buttrimers,

tetramers,pentamers,andsoon,canbelinearorcyclic.areknownasoligomers.Generally,moleculeswithfewerthan10repeatingunitsaretermedoligomers.NNNNH2NH2H2NL-lactideDimerofL-lacticacidOOOOMelamineTrimerofcyanamide15DefinitionandFoundationThedegreeofpolymerization,orDP,isthenumberofrepeatunitsinanaveragepolymerchain.EndgroupORterminalgroupCH2CH2()nCH3CH2CH2CH3TerminalgroupNH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()nHOOC(CH2)4CONH(CH2)6NH2TerminalgroupTerminalgroupTerminalgroup17根据高分子的加工特性分类：热塑性聚合物（Thermoplastics）Thosepolymersthatcanbeheat-softenedinordertoprocessintoadesiredformarecalledthermoplastics.热固性聚合物（Thermosets）Theyarepolymerswhoseindividualchainshavebeenchemicallylinkedbycovalentbondsduringpolymerizationorbysubsequentchemicalorthermaltreatmentduringfabrication.Classification

ofPolymers18根据高分子的使用用途划分：塑料（Plastics）橡胶（Rubbers）纤维（Fiber）涂料（Coating）

粘合剂（Adhesive）功能高分子（Functionalpolymer）Classification

ofPolymers19Classification

ofPolymers按聚合物主链结构划分：碳链聚合物：主链上的原子均为碳原子的聚合物。Polyolefinanditsderivatives–C–C–、–C=C–杂链聚合物：聚合物主链中不仅含有碳原子还含有氮、氧、硫、磷等杂原子。元素有机聚合物：大分子主链中没有碳原子，而是由硅、硼等无机原子和氮、氧、硫、磷构成。Polysiloxane

–Si–O–Polyether

–O–Polyester

–OCO–Polyamide

–NHCO–Polyurethane

–NHOCO–Polyurea

–NHCONH–Polysulfone

–SO2–

Polythioether

–S–Polyphospahte

–OPOO–21

最常用的简单命名法一般参照聚合物单体命名，对于一种单体聚合得到的聚合物直接在其单体名字前面加前缀“聚”（Poly）即可。PolymerNomenclatureCH2CH2CH2CH2()n聚乙烯（polyethylene）乙烯（ethylene）对于由两种单体经过缩聚反应得到的均聚物按其结构单元命名，并在名字前加前缀“聚”。NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH+NH(CH2)6NH-OC(CH2)4CO()n己二胺（hexamethylenediamine）聚已二酰己二胺（polyhexamethyleneadipamide）

己二酸（adipicacid）22PolymerNomenclature国际纯粹化学和应用化学联合会（International

UnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC）于1972年首次提出了聚合物的系统命名法。系统命名法基于聚合物的结构，遵循以下程序原则：首先确定聚合物重复单元的结构；然后按有机化合物标准命名法排好重复单元中次级单元（Subunit）的次序后重复单元命名；最后在重复单元前加上前缀“聚”，就成为聚合物的名称。OOOCH2()nCCH2CH2OOOp-dioxanone对二氧环己酮poly1,4-dioxan-2-oneIUPAC：聚1,4-二氧杂己烷-2-酮普通命名法：聚对二氧环己酮23HistoryofPolymerScienceStoneageBronzeageIronageSteelagePolymerageB.C.8000~B.C.4000B.C.4000~B.C.1000B.C.1000~A.D.1800A.D.1800~A.D.1900A.D.1900~Now25HistoryofPolymerScience第一阶段：第一世界大战爆发前，人工合成聚合物的出现C.Shönbein1846：第一种人造纤维-硝化纤维素J.W.Hyatt1868：第一种热塑性塑料-赛璐珞1830：第一种硫化橡胶C.Goodyear1907：第一种热固性塑料-BakeliteL.Baekeland26第二阶段：1914-1942高分子科学的经典阶段主要代表人物：Staudinger,Mark,Meyer,Carothers,Schultz,Kuhn,Flory等产生了存在长链分子的概念；结晶学为某些大分子提供了详细的结构信息；聚合的机理和动力学被阐明；在试图分析长链分子结构的物理序列结果的同时，提出了柔性“分子线团”概念。第三阶段：1942-1960经典高分子科学达到充分成熟的阶段Flory和Huggins似晶格模型导出高分子溶液热力学性质;Debeye和Zimm发展光散射法研究高分子溶液性质；Flory和Fox把热力学和流体力学联系起来，使高分子溶液的粘度、扩散、沉降等宏观性质与分子的微观结构有了联系；Williams,Landel,Ferry,Tobolsky,Rouse,Bueche,Zimm等在高分子聚集态的粘弹性质的研究取得了重要的成果；Watson和Crick用X射线衍射法研究高分子晶态结构，于1953年确定了DNA的双螺旋结构。HistoryofPolymerScience29

Staudinger的观点一提出就遭到胶体论者的激烈反对，争论持续了10年，但这一新观点一开始并不为主流所认同。诺贝尔奖化学奖获得者HeinrichWieland曾劝告Staudinger说：Dearcolleague,leavetheconceptoflargemoleculeswellalone:organicmoleculeswithamolecularweightabove5000donotexist.Purifyyourproducts,suchasrubber,thentheywillcrystallizeandprovetobelowermolecularsubstances.”1926年瑞典化学家T.Svedberg等人设计并用超离心机测定出蛋白质的分子量。1928年K.H.Meyer和H.F.Mark用X射线技术测定纤维素和天然橡胶中大分子的晶区尺寸。1935年W.H.Carothers在Staudinger的理论基础上合成出了尼龙。30HedeservesadoublecreditinthehistoryofpolymerssincenotonlydidhisteamatDuPontdevelopthefirstcommercialsyntheticelastomer(polychloroprene),whichisstillcommerciallyandtechnicallyimportanttoday,butalso,afewyearslater,hewasresponsibleforthediscoveryofarguablyoneofthegreatestfamiliesofplastics(NylonandPolyesters)evercommercialized.Hewasthepioneerofcondensationpolymerization;Hisworkledtonylonfibersandmodernmeltspinningtechnology.1896～1937WallaceH.Carothers31

TheNobelPrizeinChemistry1963“Fortheirdiscoveriesinthefieldofthechemistryandtechnologyofhighpolymers"KarlZiegler

Max-Planck-InstituteforCarbonResearch,Mülheim/Ruhr,FederalRepublicofGermanyb.1898d.1973GiulioNattaInstituteofTechnology

Milan,Italyb.1903d.197920世纪50年代发现和发展了Ziegler-Natta催化剂第一章绪论32

USA,StanfordUniversity,Stanford,CA,USAb.1910d.1985TheNobelPrizeinChemistry1974“Forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules"Flory在大分子物理化学实验和理论两方面做出了根本性贡献。PaulJ.Flory33

RockefellerUniversity,NewYork,NY,USAb.1921d.2006

"forhisdevelopmentofmethodologyforchemicalsynthesisonasolidmatrix"1974年将功能化的聚苯乙烯用于多肽和蛋白质的合成，大大提高了涉及生命物质合成的效率并缩短了合成时间。RobertBruceMerrifieldTheNobelPrizeinChemistry198434Pierre-GillesdeGennes，TheNobelPrizeinPhysics1991France,CollègedeFrance,Paris,Franceb.1932.d.2007提出“软物质”的概念，建立高分子物理的现代理论，如蛇行理论等"fordiscoveringthatmethodsdevelopedforstudyingorderphenomenainsimplesystemscanbegeneralizedtomorecomplexformsofmatter,inparticulartoliquidcrystalsandpolymers"35AlanJ.Heeger

UniversityofCalifornia

SantaBarbara,CA,USAb.1936AlanG.